針對(duì)橋式起重機(jī)三維空間作業(yè)需求，本文提出一種融合能效準(zhǔn)則的改進(jìn)三維A*算法。通過立體柵格環(huán)境建模、動(dòng)態(tài)啟發(fā)函數(shù)優(yōu)化及路徑平滑策略，有效提升了傳統(tǒng)算法的規(guī)劃效率與路徑質(zhì)量。結(jié)合能量消耗、運(yùn)行時(shí)間與路徑長度的多目標(biāo)優(yōu)化模型，實(shí)現(xiàn)了橋式起重機(jī)高效節(jié)能的路徑規(guī)劃目標(biāo)。

一、研究背景與問題提出

隨著工業(yè)4.0進(jìn)程的推進(jìn)，橋式起重機(jī)作為工業(yè)物流系統(tǒng)的核心裝備，其智能化升級(jí)需求日益迫切。傳統(tǒng)二維路徑規(guī)劃技術(shù)難以滿足現(xiàn)代廠房復(fù)雜空間作業(yè)要求，而三維A*算法在環(huán)境建模精度、計(jì)算效率及路徑平滑度等方面仍存在優(yōu)化空間。本文聚焦橋式起重機(jī)三維運(yùn)行特性，通過算法改進(jìn)與能效準(zhǔn)則引入，構(gòu)建了多維度優(yōu)化的智能路徑規(guī)劃體系。

二、算法改進(jìn)技術(shù)方案

1. 立體柵格環(huán)境建模
采用分層立體柵格法構(gòu)建三維空間模型，將工作區(qū)域劃分為1m×1m×1m的標(biāo)準(zhǔn)單元。針對(duì)障礙物邊界不確定性問題，實(shí)施3層膨化處理，確保路徑安全裕度達(dá)到0.5m。該方法較傳統(tǒng)體素法建模精度提升27%，內(nèi)存占用減少18%。

2. 動(dòng)態(tài)啟發(fā)函數(shù)優(yōu)化
引入高度影響因子h，構(gòu)建改進(jìn)型啟發(fā)函數(shù)：
f(n) = g(n) + w1·h(n) + w2·Δz(n)
其中Δz(n)為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)的垂直高度差，通過自適應(yīng)權(quán)重分配（w1∈[0.6,0.8], w2∈[0.2,0.4]），有效解決了傳統(tǒng)算法在垂直方向的搜索盲區(qū)問題。實(shí)驗(yàn)表明，該改進(jìn)使目標(biāo)點(diǎn)環(huán)繞障礙物場(chǎng)景下的路徑復(fù)雜度降低42%。

3. 分層搜索策略優(yōu)化
采用”粗粒度預(yù)篩選+細(xì)粒度精搜索”的分層策略：

• 第一層：高度優(yōu)先搜索，確定安全作業(yè)層
• 第二層：平面路徑規(guī)劃，采用改進(jìn)Dijkstra算法
• 第三層：三維路徑整合，應(yīng)用節(jié)點(diǎn)剪枝技術(shù)
  該策略使節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展數(shù)量減少30%-40%，平均計(jì)算時(shí)間縮短25%。

三、能效優(yōu)化模型構(gòu)建

1. 多目標(biāo)評(píng)價(jià)體系
建立包含3大維度、8項(xiàng)指標(biāo)的評(píng)價(jià)體系：

• 能量消耗：起升機(jī)構(gòu)E1=mgΔh，運(yùn)行機(jī)構(gòu)E2=μmgL
• 運(yùn)行時(shí)間：t= L/(v·cosθ) + Δh/vh
• 路徑質(zhì)量：平滑度S=Σ(Δθi2)，曲率半徑Rmin

2. 組合賦權(quán)決策模型
采用熵權(quán)法（客觀權(quán)重）與專家評(píng)分法（主觀權(quán)重）的組合賦權(quán)法，確定各指標(biāo)權(quán)重：
ω=(0.35,0.25,0.20,0.15,0.05)
通過線性歸一化處理，構(gòu)建綜合評(píng)價(jià)函數(shù)：
F=Σ(ωi·Xi’)

四、仿真驗(yàn)證與結(jié)果分析

在MATLAB平臺(tái)搭建1:100廠房模型，設(shè)置不同高度工況進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)：

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，改進(jìn)算法在各工況下均表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)：路徑長度平均縮短4.7%，節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展數(shù)量減少31.2%，路徑平滑度提升63%。在能效準(zhǔn)則優(yōu)化后，綜合評(píng)價(jià)值F平均提升29.4%。

五、工程驗(yàn)證與應(yīng)用

搭建1:50比例實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，配置激光測(cè)距儀與六軸力傳感器，驗(yàn)證算法工程實(shí)用性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：

• 定位精度達(dá)到±5mm
• 路徑跟蹤誤差<8mm
• 能量消耗降低17.2%
• 系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間縮短至0.8s

六、結(jié)論與展望

本文提出的能效驅(qū)動(dòng)三維路徑規(guī)劃算法，有效解決了橋式起重機(jī)復(fù)雜空間作業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)難題。后續(xù)研究將聚焦：

1. 動(dòng)態(tài)障礙物規(guī)避算法優(yōu)化
2. 多設(shè)備協(xié)同路徑規(guī)劃
3. 基于數(shù)字孿生的實(shí)時(shí)優(yōu)化系統(tǒng)

該技術(shù)已在某汽車制造企業(yè)的焊裝車間應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了物流效率提升22%，能耗降低15%的顯著成效，為工業(yè)起重機(jī)智能化升級(jí)提供了重要參考。